呂文超，陳培紅，徐 亮

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程學(xué)院， 江蘇 南通 226010）

0 引言

金屬腐蝕是船舶管路系統(tǒng)普遍存在的現(xiàn)象，是引發(fā)管道損傷的重要原因，它不僅給我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成巨大損失，而且嚴(yán)重威脅船舶平穩(wěn)運(yùn)行。在船舶管道運(yùn)行過程中，內(nèi)部的液相介質(zhì)含有的腐蝕性組分與管道基材發(fā)生傳質(zhì)與電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致管道腐蝕。管內(nèi)介質(zhì)的流動能夠加速傳質(zhì)過程，并破壞管道表面生成的金屬氧化膜，使金屬基材重新暴露于腐蝕環(huán)境中，引起腐蝕自循環(huán)過程，這一現(xiàn)象被稱為沖刷腐蝕。彎管具有曲率半徑，導(dǎo)致內(nèi)部流場特性劇烈變化[1]，更容易遭受沖刷腐蝕的影響，形成壁厚減薄、穿孔泄漏等損傷失效。

國內(nèi)外學(xué)者對彎管沖刷腐蝕過程進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究，并提出了相應(yīng)的腐蝕預(yù)測模型。Berge等研究了管道腐蝕的電化學(xué)過程，提出了沖刷腐蝕速率預(yù)測模型，指出沖刷腐蝕速率主要由腐蝕性組分的濃度差決定。[2]Bouchacourt M 等對Berge 模型進(jìn)行了修正，提出了MIT 模型，強(qiáng)調(diào)腐蝕產(chǎn)物膜對于沖刷腐蝕具有抑制作用，但并未給出該抑制作用的定量表達(dá)式。[3]Bai M 等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流體介質(zhì)的速度對于管道沖刷腐蝕速率具有重要影響，是表征沖刷腐蝕的關(guān)鍵特性參數(shù)。[4]Tian J 進(jìn)一步指出，沖刷腐蝕過程具有臨界速度，當(dāng)介質(zhì)速度低于臨界速度時，沖刷腐蝕受電化學(xué)反應(yīng)控制，當(dāng)介質(zhì)速度高于臨界速度時，沖刷腐蝕受流動過程控制。[5]Kim 等認(rèn)為，管道基材與腐蝕性組分發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，在其表面生成一層致密的腐蝕產(chǎn)物膜，在流體剪切的作用下，該產(chǎn)物膜被破壞，引起腐蝕加劇。[6]Gao M 等對碳鋼管道內(nèi)表面的腐蝕產(chǎn)物膜進(jìn)行了微觀分析，并給出了內(nèi)外兩層產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)與元素組成。[7]Wei Li 通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測得流體流動過程中所產(chǎn)生的壁面剪切力小于100 Pa，說明單純依靠流體剪切作用不足以破壞壁面腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)（腐蝕產(chǎn)物膜分子間結(jié)合力通常為106 Pa）。[8]此外，部分學(xué)者采用其他流動特性參數(shù)對管道沖刷腐蝕過程進(jìn)行表征，如雷諾數(shù)[9]、湍流強(qiáng)度[10-12]、傳質(zhì)系數(shù)[13]等，并提出了相應(yīng)的沖刷腐蝕預(yù)測方法。對于管道沖刷腐蝕中的電化學(xué)反應(yīng)過程，Zeng L 等學(xué)者采用陣列電極技術(shù)對彎頭部位的腐蝕電流進(jìn)行監(jiān)測，通過腐蝕電流的大小與分布規(guī)律對彎管沖刷腐蝕速率與高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)測。[14-16]Fujiawara 等對流體介質(zhì)與管道壁面之間腐蝕性組分的傳質(zhì)過程進(jìn)行了研究，認(rèn)為金屬陽離子向流體介質(zhì)中的擴(kuò)散過程是制約管道沖刷腐蝕速率的關(guān)鍵因素。[17]另外，Xu Y 等基于腐蝕性組分的傳質(zhì)過程分析，采用傳質(zhì)系數(shù)對管道沖刷腐蝕進(jìn)行表征和預(yù)測。[18-20]近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些商用仿真軟件（如ANSYS Fluent 等）被廣泛用于計(jì)算管內(nèi)流場域的特性分布，通過采用合適的湍流模型與求解方法，能夠準(zhǔn)確地對流場特性參數(shù)（速度、壓力、濃度等）進(jìn)行計(jì)算，為管道沖刷腐蝕研究提供了一種有效方法。然而，輸運(yùn)介質(zhì)流經(jīng)彎管區(qū)域時，在曲率半徑的影響下，速度分布與流動狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致管道沖刷腐蝕機(jī)理難以描述。本文采用Fluent 軟件對彎管中的介質(zhì)流動狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析介質(zhì)速度在彎管中的分布與變化規(guī)律，從而揭示彎管區(qū)域內(nèi)的沖刷腐蝕機(jī)理，為工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

1 物理模型與控制方程

1.1 物理模型

本研究采用文獻(xiàn)[14]中的彎管結(jié)構(gòu)與尺寸，通過Solidworks 構(gòu)建三維物理模型。該彎管包括入口直管段、彎頭以及出口直管段三部分，尺寸如表1 所示。采用ANSYS 前處理軟件ICEM 對彎管物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖1 所示。網(wǎng)格類型為O 型，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 782 687。管道近壁面區(qū)采用局部加密的方法，以滿足合適的y+值。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果表明，該網(wǎng)格密度足以滿足計(jì)算要求。

圖1 直管與彎管部位的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

表1 彎管物理模型與流動條件

計(jì)算過程中，入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，壁面采用無滑移條件。介質(zhì)在入口的初始速度為3.4 m/s，經(jīng)計(jì)算，管內(nèi)為湍流狀態(tài)。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型，湍流強(qiáng)度設(shè)置為5%。采用SIMPLEC 方法計(jì)算壓力與速度耦合方程，計(jì)算精度為二階迎風(fēng)格式。

1.2 控制方程

流體介質(zhì)在管道中流動時，遵循連續(xù)性方程和動量方程，分別如式（1）、式（2）所示。

對于標(biāo)準(zhǔn) k-ε 湍流模型，湍動能 k 及其耗散率 ε 分別如式（4）、式（5）所示：

其中，Gk為主流速度梯度產(chǎn)生的湍動能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能；YM為可壓縮湍流波動膨脹度與總的耗散率的比值；C1ε、C2ε、C3ε為計(jì)算常數(shù)；σk和 σε為湍流普朗特?cái)?shù)；Sk和 Sε為源項(xiàng)。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

流體介質(zhì)為水，采用速度入口邊界條件，速度為3.4 m/s，流動方向如圖2 所示。分別在入口直管段X =1 m、X = 1.5 m 處與出口直管段Y = 0.3 m、Y = 0.6 m 處以及彎頭部位選取截面，在彎頭0°～90°范圍內(nèi)等間距地選取10 個截面，定義為Slice 1—10，相鄰截面間隔角度為10°。

圖2 彎管部位橫截面示意圖

2.1 近壁面合速度分布

流體介質(zhì)中的腐蝕性粒子與金屬基材之間持續(xù)傳質(zhì)，在金屬基材表面形成雙電層。[21]該雙電層厚度極小，通常位于流體近壁面邊界層內(nèi)。流動邊界層的傳質(zhì)過程主要受該區(qū)域內(nèi)的速度分布的影響。因此，在距壁面1.5 mm（R = 0.048 5 m）處，選取各周向區(qū)域液相介質(zhì)的合速度，結(jié)果如圖3 所示。

圖中分別表示軸向角為 0°（Slice 1）、10°（Slice 2）、20°（Slice 3）、30°（Slice 4）、40°（Slice 5）、50°（Slice 6）、60°（Slice 7）、70°（Slice 8）、80°（Slice 9）、90°（Slice 10） 以及直管段 X = 1 m、X = 1.5 m、Y = 0.3 m、Y = 0.6 m處截面內(nèi)不同周向位置的流體速度。由計(jì)算結(jié)果可知，在彎頭部位Slice 1—4 區(qū)域內(nèi)，管道外側(cè)壁面合速度為0.84～1.65 m/s，而內(nèi)側(cè)壁面合速度為1.67～2.68 m/s，外側(cè)壁面速度明顯小于內(nèi)側(cè)壁面速度，合速度最大值位于管道最內(nèi)側(cè)區(qū)域（α = 270°）。Slice 5—10 區(qū)域內(nèi)，管道外側(cè)壁面合速度為1.39～2.53 m/s，而內(nèi)側(cè)壁面合速度為0.26～2.43 m/s，對于特定橫截面，其外側(cè)壁面速度大于內(nèi)側(cè)壁面速度，且最內(nèi)側(cè)（α = 270°）區(qū)域合速度最低。在該區(qū)域，合速度最大值位于Slice 10 橫截面外側(cè)區(qū)域。對于入口直管段部位（X = 1 m、X = 1.5 m），其合速度變化較小，為1.30～1.51 m/s，且內(nèi)、外側(cè)壁面處合速度基本相同。對于出口直管段部位（Y = 0.3 m、Y = 0.6 m），Y = 0.3 m 截面壁面處合速度為 1.20～2.21 m/s，Y = 0.6 m 截面壁面處合速度為 1.10～1.81 m/s。在出口直管段區(qū)域，管道外側(cè)壁面合速度大于內(nèi)側(cè)壁面處合速度。由此可見，直管段區(qū)域近壁面邊界層內(nèi)的流體合速度與彎頭部位合速度并無太大差別，且部分直管段部位壁面合速度大于彎頭部位壁面合速度。

2.2 近壁面法向速度分布

流體介質(zhì)經(jīng)過彎頭區(qū)域時，受到離心力的作用，在垂直于主流方向的截面內(nèi)產(chǎn)生二次流動，形成對稱分布的渦旋（Dean 渦）。[22]Dean 渦能夠改變流體介質(zhì)與管道壁面之間的傳質(zhì)過程，從而影響沖刷腐蝕速率。Dean 渦的形成是因?yàn)樵诮孛鎯?nèi)產(chǎn)生了垂直于主流方向的法向速度。因此，對彎頭區(qū)域Slice 1—10 內(nèi)的法向速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 彎頭各橫截面壁面處法向速度分布

由圖4 可知，在Slice 1 截面內(nèi)，不同周向區(qū)域內(nèi)流體法向速度基本相同，為0.11～0.32 m/s，且內(nèi)、外壁面處法向速度差異較小。在Slice 2—5 截面內(nèi)，隨著截面傾斜角度逐漸增加，近壁面處流體法向速度逐漸增加，且彎管內(nèi)側(cè)區(qū)域的流體法向速度大于外側(cè)區(qū)域的流體法向速度，導(dǎo)致彎管內(nèi)側(cè)壁面處的腐蝕性組分傳質(zhì)速度大于外側(cè)壁面。在Slice 6—9 截面，隨著截面傾斜角度逐漸增加，流體在近壁面處的法向速度逐漸降低，且彎管內(nèi)側(cè)壁面處的法向速度逐漸小于彎管外側(cè)。Slice 10 截面近壁面處的法向速度小于Slice 2—9 截面，僅比Slice 1 截面近壁面處的法向速度稍大。在整個彎頭部位，Slice 4 和Slice 5 截面壁面處的法向速度達(dá)到極大值，為1.89 m/s，而Slice 1 和Slice 10 截面壁面處的法向速度達(dá)到極小值，為0.11 m/s。流體介質(zhì)的法向速度越大，腐蝕性粒子沿著管道徑向的傳質(zhì)過程越強(qiáng)，從而導(dǎo)致管道沖刷腐蝕速率越大。文獻(xiàn)[16]采用陣列電極技術(shù)對彎管不同區(qū)域的沖刷腐蝕速率進(jìn)行測試，結(jié)果顯示在軸向角度為30°～40°區(qū)間的管道沖刷腐蝕速率達(dá)到極大值。

圖5 為直管段X = 1 m、X = 1.5 m、Y = 0.3 m、Y = 0.6 m 處橫截面近壁面處的流體法向速度。由圖5 可知，在入口直管段X = 1 m、X = 1.5 m 區(qū)域，近壁面處的流體法向速度非常微小，約為0.001 m/s。在出口直管段Y = 0.3 m、Y = 0.6 m 區(qū)域，近壁面處的流體法向速度較大，且呈現(xiàn)明顯的對稱性，在最外側(cè)區(qū)域（α =90°）和最內(nèi)側(cè)區(qū)域（α = 270°）達(dá)到極小值。Y = 0.3 m 處橫截面近壁面處的法向速度為 0.013～0.286 m/s，Y =0.6 m 處截面壁面處的法向速度為0.001～0.154 m/s?？梢?，Y = 0.3 m 截面內(nèi)的流體法向速度比Y = 0.6 m 截面處流體法向速度大。

圖5 直管段橫截面法向速度分布

2.3 彎管截面Dean 渦分布

流體介質(zhì)在彎管區(qū)域橫截面內(nèi)產(chǎn)生Dean 渦，對介質(zhì)中的腐蝕性粒子與金屬基材之間的傳質(zhì)過程產(chǎn)生重要影響。采用流線示蹤法，對Slice1—10 截面流場域內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)速度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 各橫截面流線分布規(guī)律

由圖6 可知，介質(zhì)流經(jīng)彎頭部位時，在離心力作用下形成的Dean 渦通常具有左右對稱的渦旋（通常為2個），導(dǎo)致管內(nèi)流體的軸向速度與法向速度發(fā)生較大變化，進(jìn)而改變了彎頭部位流體介質(zhì)的速度場、濃度場、壓力場與溫度場分布[23]。在橫截面傾斜角度為0°（Slice 1）時，流體速度方向?yàn)檩S向，法向速度非常微小，且分布在流場左右兩側(cè)，此時管中無明顯Dean 渦形成。當(dāng)截面傾斜角度大于30°（Slice 4—10）時，彎管橫截面開始出現(xiàn)典型的雙核Dean 渦，且渦核對稱分布于管道中部區(qū)域。隨著截面傾斜角度繼續(xù)增加，Dean 渦的渦核逐漸向彎管內(nèi)側(cè)移動。另外，當(dāng)截面傾斜角度小于30°時，流體介質(zhì)受到離心力和重力的耦合作用，截面內(nèi)法向速度較大區(qū)域逐漸向彎管內(nèi)側(cè)移動；當(dāng)截面傾斜角度大于30°時，截面內(nèi)法向速度較大區(qū)域逐漸向彎管外側(cè)移動。

由直管段的管道橫截面流線圖可知，在入口直管段，管內(nèi)無Dean 渦形成。當(dāng)流體離開彎頭部位，進(jìn)入出口直管段，離心力作用消失，Dean 渦強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)致截面法向速度逐漸降低。在Y = 0.3 m 截面處，由于受到彎頭部位Dean 渦效應(yīng)的影響，截面處的對稱渦核稍偏向管道內(nèi)側(cè)。在Y = 0.6 m 截面處，對稱渦核已位于管道截面中心線位置。因此，通過入口直管段、彎頭、出口直管段部位截面法向速度的對比，可以發(fā)現(xiàn)流場在彎頭部位，由于Dean 渦效應(yīng)，截面法向速度最大，出口直管段部位的截面法向速度次之，而入口直管段部位的截面法向速度最小。

3 結(jié)束語

管道沖刷腐蝕是液相流體沖刷與化學(xué)腐蝕的耦合過程，介質(zhì)流動狀態(tài)對于沖刷腐蝕速率具有重要影響。在液相介質(zhì)流動過程中，壁面附近的合速度在直管段部位與彎頭部位并無太大差別，且部分直管段的壁面合速度大于彎頭部位的壁面合速度。流體介質(zhì)流經(jīng)彎頭部位時，在離心力作用下產(chǎn)生對稱分布的Dean渦，使得管道內(nèi)壁面產(chǎn)生較大的法向速度。管道基材表面的金屬陽離子與液相流體溶液中的腐蝕性陰離子在近壁面區(qū)域的傳遞過程主要受流體法向速度影響。彎管軸向角度為30°～40°區(qū)間內(nèi)流體介質(zhì)所受Dean 渦流動作用較強(qiáng)，從而產(chǎn)生較大的法向速度，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)腐蝕性粒子傳質(zhì)過程增強(qiáng)，沖刷腐蝕速率達(dá)到極大值。該結(jié)論對于船舶管路系統(tǒng)沖刷腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測具有重要的理論意義。